用火焰光度法测定水中钾、

一、 实验目的

（1） 学习火焰光度计的基本原理及测定钾和钠含量的方法。

（2） 加深对火焰光度法的理解。

（3） 掌握火焰光度计的基本结构和使用方法。

二、 实验原理

当原子或离子受到热能或电能激发（如在火焰、 电弧电光花中）， 有一些电子就吸收能量而跃迁到离原子核较远的轨道上， 当这些被激发的电子返回或部分返回到稳定或过渡状态时， 原先吸收的能量以光（光子）形式重新发射出来， 这就产生了发射光谱（线光谱）， 各种元素都有自己特定的线光谱。 基于以火焰为激发源的原子发射光谱的分析方法称为火焰光度法。 它是利用火焰光度计测定元素在火焰中被激发时发射出的特征谱线的强度来进行分析的。 火焰光度法又称为火焰发射光谱法。

样品溶液经雾化后喷入燃烧的火焰中， 溶剂在火焰中蒸发， 试样熔融转化为气态分子。继续加热， 气态分子会解离为原子， 再由火焰高温激发发射特征光谱。 火焰所提供的能量比电火花小得多， 只能激发电离能较低的元素（主要是碱金属和碱土金属）使之产生发射光谱（高温火焰可激发30种以上的元素产生火焰光谱）。 当待测元素（如钾、钠）在火焰中被激发后， 将产生的发射光谱通过滤光片或其他波长选择装置（单色器）， 把元素所发射的特征波长分离出来， 经光电检测系统进行光电转换， 再由检流计测量其强度。 如果激发光条件（包括燃料气体和压缩空气的供应速度、 样品溶液的流速、 溶液中其他物质的含量等）保持一定时， 则检流计读数与待测元素的浓度成正比， 因此可以进行定量测定。

钾、 钠元素通过高温火焰激发而产生不同能量的谱线， 火焰光度计测定钾原子发射的766.8nm和钠原子的589.0nm的这两条谱线的相对强度。 利用标准曲线法可进行钾、 钠的定量测定。 为抵消钾、 钠的相互干扰， 其标准溶液可配成钾、 钠混合标准溶液。

火焰光度计有各种不同型号， 但都包括三个主要部件：

（1） 光源： 包括气体供应， 喷雾器、 喷灯等。 其使待测液分散在压缩空气中成为雾状，再与燃料气体和乙炔、 煤气、 液化石油、 苯、 汽油等混合， 在喷灯燃烧。

（2） 单色器： 简单的是滤光片， 复杂的则是用石英等棱镜与狭缝来选择一定波长的光线。

（3） 光度计： 包括光电池、 检流计、 调节电阻等。 其与光电比色计的测量光度部分一样。

影响火焰光度法准确度的因素主要有三方面：

（1） 激发情况的稳定性， 如气体压力和喷雾情况的改变会严重影响火焰的稳定， 喷雾器没有保持十分清洁时会引起不小的误差， 在测定过程中， 如激发情况发生变化应及时校正压缩空气及燃料气体的压力， 并重新测试标准系列及试样。

（2） 分析溶液组成改变的影响： 必须使标准溶液与待测溶液都有几乎相同的组成， 如酸浓度和其他离子浓度要力求相近。

（3） 光度计部分（光电池、 检流计）的稳定性： 如光电池连续使用很久后会发生 “疲劳” 现象， 应停止测定一段时间， 待其恢复效能后再用。 多数情况下， 用火焰光度分析法对适当浓度的纯盐溶液进行测定时， 准确度都很高， 误差仅为1％～3％， 分析土壤、 肥料、植物样品待测液时， 一些元素（钾、 钠）的测定误差为3％～8％， 可满足一般生产上要求的准确度。

实验证明，待测液的酸含量（不论是HCl、H2SO4或HNO3）为0.02mol·L-1时，对测定几乎没有影响， 但太高往往使测定结果偏低。 如果溶液中盐的浓度过高， 测定时易发生灯被盐霜堵塞现象， 使结果大大降低。 应及时停火， 清洗。 此外， 钾、 钠的含量对测定也互有影响，为了免除这项误差，可加入相应的缓冲液，例如在测K＋时，加入Na Cl的饱和溶液；在测Na＋时，加入KCl的饱和溶液。

本实验使用液化石油气-空气火焰。

三、 仪器与试剂

1. 仪器

（1） 6400型火焰 （或其他型号） 光度计；

（2） 可调温电热板；

（3） 分析天平；

（4） 台秤；

（5） 振荡机；

（6） 吸量管（5m L、10m L）；

（7） 曲径小漏斗；

（8） 漏斗；

（9） 烧杯（100m L、250m L、500m L）；

（10） 聚乙烯试剂瓶；

（11） 带塞锥形瓶（100m L）；

（12） 定量滤纸。

2. 试剂

（1） 1.000g·L-1钾储备标准溶液：称取0.9534g于105℃烘干4～6h的KCl（分析纯），用水溶解，移入500m L容量瓶中，加水稀释至刻线，摇匀，转入聚乙烯试剂瓶中贮存。

（2） 1.000g·L-1钠储备标准溶液：称取1.2708g于110℃烘干4～6h的Na Cl（分析纯）， 用水溶解， 移入500m L容量瓶中， 加水稀释至刻线， 摇匀， 转入聚乙烯试剂瓶中贮存。

（3） 钾、 钠混合标准工作液（1）： 移取5.00m L钾储备标准溶液、2.50m L钠储备标准溶液于50m L容量瓶中， 加水稀释至刻线， 摇匀。 此标准工作液含100mg·L-1的钾、50mg·L-1的钠。

（4） 三酸混合液：由浓硝酸（ρ＝1.42g·cm-3） ∶浓硫酸（ρ＝1.84g·cm-3） ∶高氯酸（60％）＝8∶1∶1的比例混合而成。

（5） 钾、 钠混合标准工作液（2）： 移取5.00m L钾储备标准溶液、12.50m L钠储备标准溶液于100m L容量瓶中， 加水稀释至刻线， 摇匀。 此标准工作液含50mg·L-1的钾、125mg·L-1的钠（如果不是测定土壤样品，此溶液不必配制）。

（6） Al2（SO4）3溶液：称取34g Al2（SO4）3或66g Al2（SO4）3·18H2O固体溶于水中稀释至1L。

（7） 50mg·L-1钾标准工作液：移取5.00m L钾储备标准溶液于100m L容量瓶中，加水稀释至刻线， 摇匀。

（8） 100mg·L-1钠标准工作液：移取10.00m L钠储备标准溶液于100m L容量瓶中，加水稀释至刻线， 摇匀。

（9） 混合酸消化液： 由浓硝酸∶高氯酸＝4∶1的比例混合而成。

（10） 1％稀盐酸溶液。

四、 实验步骤

1.6400型火焰光度计的开机步骤

1） 开机检验

接通电源， 打开主机开关（图4-12）， 电源指示灯亮。 将K、 Na量程旋钮放置于 “2”挡， 调节“调零”和“满度”旋钮， 表头有指示。 开启空压机开关， 空压机启动， 进样压力表指示为0.06～0.08MPa。 此时将进样口软管放入一盛有蒸馏水的烧杯中， 在排液口下放一烧杯盛废液。 雾化器内应有水珠撞击。

图4－12 6400型火焰光度计主机外形

2） 点火

打开液化石油气开关阀， 用右手按“点火”按钮， 从观察窗中观察电极丝亮， 然后用左手慢慢旋动（逆时针）“点火阀”， 直至电极上产生明火 （明火高度一般为40～60mm）， 此时右手放开 “点火” 按钮， 旋动（逆时针）“燃气阀”。 直至燃烧头产生火焰（高度为40～60mm）， 然后关闭 “点火阀”， 点火步骤完成。

图4－13 火焰形状的最佳状态

3） 调节火焰形状至最佳状态

点火后， 由于进样空气的补充， 燃气得到充分燃烧。 此时， 一边察看火焰形状， 一边慢慢调节“燃气阀”， 使进入燃烧室的液化气达到一定值（此时以蒸馏水进样）， 火焰呈最佳状态， 即外形为锥形、 呈蓝色， 尖端摆动较小， 火焰底部中间有12个小突起， 周围有波浪形的圆环（图4-13）， 整个火焰高度约50mm左右， 火焰中不得有白色亮点。

4） 预热

调好火焰， 仪器需预热20min左右， 待仪器稳定后， 方可进行正式测试。 开机步骤结束。

2. 配制待测溶液（土壤样品中钾、 钠含量的测定）

1） 土壤的预处理

通常用浸提法处理土壤样品， 待测液中钙对钾的干扰不大， 而对钠的干扰较大， 可以用Al2（SO4）3抑制钙的激发以减小干扰。

称取10g通过1mm筛孔烘干的土壤放入100m L具塞的锥形瓶中， 加水50m L， 盖好瓶盖， 在振荡机上振荡3min， 立即过滤， 根据具体情况取出一定体积的浸出液， 放入50m L容量瓶中，加入1m LAl2（SO4）3溶液，定容，备用。

2） 标准系列溶液的配制

在9个50m L容量瓶中， 分别加入0.00m L、2.00m L、4.00m L、6.00m L、8.00m L、10.00m L、12.00m L、16.00m L、20.00m L的钾、 钠混合标准工作液（2）， 分别加入1m L Al2（SO4）3溶液，定容，备用。各瓶中分别含钾0mg、2mg、4mg、6mg、8mg、10mg、12mg、16mg、20mg，含钠0mg、5mg、10mg、15mg、20mg、25mg、30mg、40mg、50mg。

3. 校正和操作

（1） 预热仪器达稳定之后， 根据所用标准溶液浓度， 选择K、 Na量程旋钮至某一合适量程挡位。 一般使用“1”或“2”挡， 以浓度最大的标准溶液能调足满度为准。 浓度较低时采用“3”挡， 选择“2”“3”挡时， 要在观察窗上按避光罩， 以免室内外杂散光干扰测试读数。

（2） 接着以空白溶液（蒸馏水）进样， 缓慢旋动“调零”旋钮， 使表的指针指示0％刻度。然后， 以最大浓度的标准溶液进样， 缓慢旋动 “满度” 旋钮， 使表的指针指示100％刻度，重复几次， 直至基本稳定， 则可开始测试工作。

（3） 连续测试样品时， 应在每3～5只样品间进行一次标准溶液的校正。 每只样品间亦可用蒸馏水冲洗校零， 排除样品的互相干扰。

（4） 在坐标纸上做工作曲线。

Y轴——指示读数值； X轴——溶液浓度。 未知溶液浓度按插入法查得。

4. 关机步骤

仪器使用完毕后， 务必用蒸馏水进样5min， 清洗流路后， 应首先关闭液化燃气罐的开关阀。 此时仪器火焰逐渐熄灭。 顺时针关闭“燃气阀”。 将K、 Na挡位旋钮旋至 “0” 挡。依次关闭空压机、 主机开关并切断电源。

思 考 题

1. 火焰光度法属于哪类光谱分析方法？ 用火焰光度是否能测电离能较高的元素？ 为什么？

2. 如果标准系列溶液浓度范围过大， 标准曲线会弯曲， 为什么会有这种现象？

3. 火焰光度计中的滤光片有什么作用？

4. 本实验误差的可能因素有哪些？